CN112648916B - 一种三维微小位移测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维微小位移测量方法及***，涉及微小位移测量技术领域，方法包括：获取待测位移物体的模型；在待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；模型包括第一子模型和第二子模型，第一子模型设置在第二子模型的内部；容栅传感器组的动栅设置在第一子模型的外侧壁上且静栅设置在第二子模型的内侧壁上或者容栅传感器组的动栅设置在第二子模型的内侧壁上且静栅设置在第一子模型的外侧壁上；每个容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测动栅的极距变化和面积变化；面积变化为动栅和静栅的相对面积变化；分别获取三个容栅传感器组的电压值；根据容栅传感器组的电压值确定位移。本发明能够实现对三维空间微小位移的测量。

Description

一种三维微小位移测量方法及***

技术领域

本发明涉及微小位移测量技术领域，特别是涉及一种三维微小位移测量方法及***。

背景技术

随着我国航空航天、船舶重工等的快速发展，对精密测量有了更高的要求。微小位移测量作为精密测量的一种关键的基础技术，制约着尖端制造业的发展。微小位移测量技术经过多年的研究得到较大的发展，主要有激光位移测量技术、光栅位移测量技术、LVDT位移传感器、PSD位移传感器等，而这些传感器都有一个显著缺点，其传感器体积较大，不能把传感器做小做薄，制约了其测量狭窄空间微小位移的能力；且光学传感器功耗较高，对电池容量要求较大，不利于传感器的安装布置。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维微小位移测量方法及***，以实现对三维空间微小位移的测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维位移测量方法，包括：

获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上且静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上或者所述容栅传感器组的动栅设置在所述第二子模型的内侧壁上且静栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化；

分别获取三个所述容栅传感器组的电压值；

根据所述容栅传感器组的电压值确定位移。

可选的，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移，具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布；

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

可选的，所述根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移，具体包括：

根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为半球的第一容栅传感器的电压值，u₂为半球的第二容栅传感器的电压值，u₃为半球的第三容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

可选的，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；

根据容栅传感器的电压值与初始电压的比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述容栅传感器为第一容栅传感器或第二容栅传感器或第三容栅传感器；

根据第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向。

可选的，所述当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移，具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，ε为介电常数，s为容栅传感器动栅和静栅之间的正对面积。

可选的，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第一比值或者第二比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述第一比值为所述第一容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第二比值为所述第二容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第三比值或者第四比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；所述第三比值为所述第三容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第四比值为所述第四容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第五比值或者第六比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向；所述第五比值为所述第五容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第六比值为所述第六容栅传感器的电压值与初始电压的比值。

一种三维位移测量***，包括：

模型获取模块，用于获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上且静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上或者所述容栅传感器组的动栅设置在所述第二子模型的内侧壁上且静栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化；

电压值获取模块，用于分别获取三个所述容栅传感器组的电压值；

位移确定模块，用于根据所述容栅传感器组的电压值确定位移。

可选的，所述位移确定模块，具体包括：

第一位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布；

第二位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

可选的，所述第一位移确定子模块，具体包括：

第一位移确定单元，用于根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为半球的第一容栅传感器的电压值，u₂为半球的第二容栅传感器的电压值，u₃为半球的第三容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

可选的，所述第二位移确定子模块，具体包括：

第二位移确定单元，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，ε为介电常数，s为容栅传感器动栅和静栅之间的正对面积。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种三维位移测量方法及***，通过三个容栅传感器组设置在待测位移物体的模型上，直接利用容栅传感器检测的电压实现对三维位移的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三维位移测量方法流程图；

图2为本发明三维位移测量方法容栅传感器的基本构成单元；

图3为本发明三维位移测量方法球体模型坐标系示意图；

图4为本发明三维位移测量方法球体模型容栅传感器排布示意图；

图5为本发明三维位移测量方法长方体模型容栅传感器排布示意图；

图6为本发明三维位移测量方法长方体模型通道夹角示意图；

图7为本发明三维位移测量方法标定测试平台示意图；

图8为本发明三维位移测量***示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种三维微小位移测量方法及***，以实现对三维空间微小位移的测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种三维位移测量方法，包括：

步骤101：获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上且静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上或者所述容栅传感器组的动栅设置在所述第二子模型的内侧壁上且静栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化。

步骤102：分别获取三个所述容栅传感器组的电压值。

步骤103：根据所述容栅传感器组的电压值确定位移。

其中，步骤102：具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布。

另外，所述根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移，具体包括：

根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为半球的第一容栅传感器的电压值，u₂为半球的第二容栅传感器的电压值，u₃为半球的第三容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

如图3所示，在实际应用中，待测位移物体为半球时，为了确定待测位移物体具体沿着坐标轴的位移方向，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向。其中，当第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值连续变大时，即，第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值大于初始位置的第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值时，说明物体向y轴正方向移动。

根据容栅传感器的电压值与初始电压的比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述容栅传感器为第一容栅传感器或第二容栅传感器或第三容栅传感器；当容栅传感器的电压值与初始电压的比值持续变大时，即，容栅传感器的电压值连续变大时，说明物体向x轴正方向移动。

根据第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向。当第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值连续变小时，即，第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值小于初始位置的第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值时，说明物体向z轴正方向移动。

其中，第一容栅传感器即为图中的通道1动栅和通道1静栅组成的传感器，第二容栅传感器即为图中的通道2动栅和通道2静栅组成的传感器，第三容栅传感器即为图中的通道3动栅和通道3静栅组成的传感器，

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

另外，所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移，具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，ε为介电常数，s为容栅传感器动栅和静栅之间的正对面积。其中，如图5所示，Δd_x为X通道两个容栅传感器的安装间隔，Δd_y为Y通道两个容栅传感器的安装间隔，Δd_z为Z通道两个容栅传感器的安装间隔。

如图5所示，在实际应用中，待测位移物体为长方体时，为了确定待测位移物体具体沿着坐标轴的位移方向所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第一比值或者第二比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述第一比值为所述第一容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第二比值为所述第二容栅传感器的电压值与初始电压的比值；当第一比值或者第二比值变小，即第一容栅传感器或者第二容栅传感器的电压值小于初始电压时，待测物体沿x轴正方向移动。

根据第三比值或者第四比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；所述第三比值为所述第三容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第四比值为所述第四容栅传感器的电压值与初始电压的比值；当第三比值或者第四比值变小，即第三容栅传感器或者第四容栅传感器的电压值小于初始电压时，待测物体沿y轴正方向移动。

根据第五比值或者第六比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向；所述第五比值为所述第五容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第六比值为所述第六容栅传感器的电压值与初始电压的比值。当第五比值或者第六比值变小，即第五容栅传感器或者第六容栅传感器的电压值小于初始电压时，待测物体沿z轴正方向移动。

图2为容栅传感器的基本构成单元，如图2所示，本发明三维位移测量方法中采用的容栅传感器是基于平板容栅制作而成的，容栅传感器由动栅与静栅(相当于电容中的上极板和下极板)构成，通过导线将动栅和静栅与测试***相连，其动栅发生位移时会产生面积上的改变和极距上的改变，从而导致输出电压的改变。

动、静栅传感器均为N个栅极并连成梳状，栅极之间为理想绝缘介质。栅极厚度为0.07mm，栅极宽度为0.08mm，栅极间距为0.005mm，在动栅和静栅的周围还设置有保护环，减少容栅传感器的边缘效应。容栅传感器采用柔性加工工艺，可附着于非平面物体。

在不考虑边缘效应影响时，每个容栅传感器基本单元有如下计算式：

式中C为为传感器的电容值，N为容栅传感器的栅条数，s为容栅两栅条正对面积，d为两栅极间距，ε₀表示真空介电常数，ε_r为空气中的介电常数，其中ε_r等于1，Q为电容电量，I为电流，t为时间。

当d、s、N和ε₀中的某一项或某几项发生变化时，电容值就会发生改变，动栅与静栅在不同方向产生相对位移时，极距d或者正对面积s发生变化，容栅电容值发生相应的改变，依据传感器电容值的变化量可以测量平面微小位移，依据传感器电容值变化趋势可以判别位移发生的方向。

为了完成空间位移的测量，本发明提供了两种待测位移物体的模型分别为球体模型和长方体模型。

当待测位移物体的模型为球体模型时，如图4所示，为嵌套的两个半径不同的同心球。三片相同的容栅传感器组合呈“品“字形在较大半径球体的内表面作为静栅，三片分离的容栅粘贴在较小半径球体外表面作为动栅，整个模型与球体保持同心，静栅与动栅正对形成两个同心球面，以球心为原点，改变极距方向为x轴，改变面积方向为y和z轴建立坐标系，如图3所示。另外，在实际应用中，三个静栅也可以分离设置。以z轴正向静栅与动栅组成的传感器为C₁，以y轴负向静栅与动栅组成的传感器为C₂，以y轴正向静栅与动栅组成的传感器为C₃，其中，C1、C2和C3即是图3中表示的通道1、通道2和通道3。通道1栅极方向平行于y轴，通道2、3栅极方向平行于z轴，据此模型建立参数方程如式：

式中，I为电流值，t为时间，x y z为三方向位移值。U为空间任意方向发生位移时***输出电压，U₀为标准电容两端电压即一个通道没有发生位移时的电压，U_r为球心在空间内任意方向发生位移时的电压变化值，U_x表示U_r在x轴分解量即容栅极距改变产生的电压变化，U_y表示U_r在y轴分解量即容栅正对面积改变产生的电压变化，U_z表示U_r在z轴分解量即容栅正对面积改变产生的电压变化，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，即重叠长度，b为容栅宽度即重叠宽度，正对面积为s＝l*b。另外，U为***(单通道)输出电压，U_r为位移变化产生的通道变化电压，其中有一个初始电压和放大系数的差别，初始电压U₀和放大系数G为已知量。动栅随物体在三维空间任意方向产生微小位移时，按照物理学中位移分解理论，结合公式1中最后两个公式得到公式2，位移可以分解为x轴、y轴和z轴的位移分量，换算成三个通道的电压分量如式：

其中，u₀为初始电压，三个通道的初始电压是一致的；xyz分别为三个方向的位移量，公式1实际上是将动栅通道1、2、3看做一个整体进行计算，所得的电压与位移的关系也是一个整体关系；而公式2将公式1的整体动栅分解了，因为实际现场测的时候是测三个通道，分解成xyz三个方向的位移分量，耦合计算时也是用的公式2。公式(1)与公式(2)的关系：公式(1)中U_X、U_Y、U_Z是指其中一个通道的电压在xyz轴上的电压分量，例如动栅C1：其电压为U₁，将U₁代入公式(1)，即拿U1替换公式(1)中的U，而Ur是位移产生的输出电压，u₀＝U₀，对U_r进行开方处理(注：公式(1)为方便理解将U_YU_Z分开计算，其在公式(2)被转换为对面积的共同变化)。

公式1中，U_X、U_Y、U_Z表示的是位移产生的电压变化量分别在XYZ轴的分解电压，是总电压，是理论计算的结果，实际上测得的是u₁、u₂、u₃为三个通道的电压。三个通道的电压与xyz坐标轴位移量有关。

在实际应用中，放大系数G是未知的，需要利用算法耦合进行求解。使用三维移动平台带动球体模型移动，分别用千分尺得到XYZ方向的位移，并分别得到三个通道的电压，重复此过程，获得多组数据，利用得到的位移和电压采用BP Neural Network算法进行拟合得到放大参数G。

当待测位移物体的模型为长方体模型时，如图5所示，里面小的长方体外表面都是边长为40mm的动栅，外面的大的长方体内表面为边长80mm的静栅，每个通道有这样的两对。与球体模型不同，待测位移物体的模型以长方体的一个顶点为原点，三条棱为坐标轴建立三维坐标系。三通道分别布置在三个面上，具体为一个底面和相邻的两个侧面。在每一通道均有两对容栅传感器即共六块动栅，六款静栅所有的动栅和静栅均分离。静栅面积为动栅4倍，边长为2倍，可减少非本通道对该通道容栅电容值的影响，减少了参数，对模型优化有一定意义。同球体模型，被测物在空间任意方向位移均可分解为x、y、z轴三个方向的位移分量，x、y、z轴均为极距变化。在建立该模型时，动、静栅所呈夹角亦被考虑在内，如图6为其中一个通道的夹角示意图，据此建立模型参数方程如式：

式中，

U_y2、

为长方体模型表面对应的容栅传感器所输出电压值，l_x、l_z、l_y分别为坐标原点所在顶点的三条棱长度，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔。α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆既可理解为动静栅之间的角度，也可理解为长方体的棱与静栅的角度。

在耦合长方体模型在使用时，根据得到的电压值，采用BP Neural Network算法进行计算即可得到位移和角度。

在实际使用中，使用如图8所示的标定测试平台进行实验标定。

1.该标定平台采用千分尺标定法，设计精度为0.01mm，满足实验所需的最低精度要求。

2.安装配置完毕的传感器。

3.用千分尺给定一个位移，然后记录下对应的电压值，然后重复这个过程，取得足够多的数据就可以使用BP Network算法拟合出参数方程的未知数。只有球体模型有未知参数需要在实验条件下拟合，对于长方体模型实验状态下拟合的最大作用时检查安装是否正确到位。

当完成的参数拟合后，所有参数均已知，模型的使用方法为：

1.同样是使用BP Networks算法拟合。

2.不同的是之前是已知位移、电压拟合未知参数；现在是已知电压拟合位移。

3.由于使用的测试电路为动态测量的方法，其数值是实时改变的，采用的AD芯片有12bit，精度很高，同一组测量的位移与电压都在不断变化，虽然精度很高，也要对每一组取平均值。

4.如公式(3)，其位移是3个未知量，角度也是3个未知量(其中有三对相反的角度)，共有六个方程，通过BP Network算法直接就得出所求的位移和角度。

如图7所示，本发明提供的一种三维位移测量***，包括：

模型获取模块701，用于获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；所述静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化。

电压值获取模块702，用于分别获取三个所述容栅传感器组的电压值。

位移确定模块703，用于根据所述容栅传感器组的电压值确定位移。

其中，所述位移确定模块703，具体包括：

第一位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布。

第二位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

其中，所述第一位移确定子模块，具体包括：

第一位移确定单元，用于根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为第七容栅传感器的电压值，u₂为第八容栅传感器的电压值，u₃为第九容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

其中，所述第二位移确定子模块，具体包括：

第二位移确定单元，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值。

本发明提供的三维微小位移测量方法及***，使用三维容栅微小位移传感器，其是在电容传感器的基础上发展而来，其特点是运行速度高，体积小、结果简单、测试功耗低，是狭小空间微小位移测量的精准可行的方法。优势如下：

1、所用容栅传感器所占空间小，厚度薄，所以在狭小的空间内也能完成微小位移的测量。

2、容栅传感器结构简单，主要敏感元件就是动栅和静栅，在实际安装调试上带来极大方便。

3、测试电路均采用低功耗芯片，其中MCU具有低功耗模式。容栅传感器所测直接物理量为电压，通过恒利源的连续冲放电保持数据刷新，没有其他的大电流器件，其待机电流为μA级别，工作电流不超过10mA，一块180mAh可工作一年以上。

4、针对不同的测试环境，设计了不同的测试模型，大大减少了解耦参数所需数据量；针对不同模型，提出了不同的耦合算法，提高了解耦速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种三维位移测量方法，其特征在于，包括：

获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上且静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上或者所述容栅传感器组的动栅设置在所述第二子模型的内侧壁上且静栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化；

分别获取三个所述容栅传感器组的电压值；

根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；

待测位移物体为长方体时，为了确定待测位移物体具体沿着坐标轴的位移方向所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第一比值或者第二比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述第一比值为第一容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第二比值为第二容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第三比值或者第四比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；所述第三比值为第三容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第四比值为第四容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第五比值或者第六比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向；所述第五比值为第五容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第六比值为第六容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移，具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第六容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，ε为介电常数，s为容栅传感器动栅和静栅之间的正对面积。

2.根据权利要求1所述的三维位移测量方法，其特征在于，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移，具体包括：

当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布；

当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

3.根据权利要求2所述的三维位移测量方法，其特征在于，所述根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移，具体包括：

根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为半球的第一容栅传感器的电压值，u₂为半球的第二容栅传感器的电压值，u₃为半球的第三容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

4.根据权利要求3所述的三维位移测量方法，其特征在于，所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第二容栅传感器的电压值和第三容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；

根据容栅传感器的电压值与初始电压的比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述容栅传感器为第一容栅传感器或第二容栅传感器或第三容栅传感器；

根据第一容栅传感器的电压值和第二容栅传感器的电压值的比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向。

5.一种三维位移测量***，其特征在于，包括：

模型获取模块，用于获取待测位移物体的模型；在所述待测位移物体的模型上设置有三个容栅传感器组；所述模型包括第一子模型和第二子模型，所述第一子模型设置在所述第二子模型的内部；所述容栅传感器组的动栅设置在所述第一子模型的外侧壁上且静栅设置在所述第二子模型的内侧壁上或者所述容栅传感器组的动栅设置在所述第二子模型的内侧壁上且静栅设置在所述第一子模型的外侧壁上；每个所述容栅传感器组的动栅和静栅形成通道，每个通道用于检测所述动栅的极距变化和面积变化；所述面积变化为所述动栅和所述静栅的相对面积变化；

电压值获取模块，用于分别获取三个所述容栅传感器组的电压值；

位移确定模块，用于根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；

待测位移物体为长方体时，为了确定待测位移物体具体沿着坐标轴的位移方向所述根据所述容栅传感器组的电压值确定位移之后还包括：

根据第一比值或者第二比值确定所述待测位移物体在x方向的位移方向；所述第一比值为第一容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第二比值为第二容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第三比值或者第四比值确定所述待测位移物体在y方向的位移方向；所述第三比值为第三容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第四比值为第四容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

根据第五比值或者第六比值确定所述待测位移物体在z方向的位移方向；所述第五比值为第五容栅传感器的电压值与初始电压的比值；所述第六比值为第六容栅传感器的电压值与初始电压的比值；

第二位移确定子模块，具体包括：

第二位移确定单元，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据容栅传感器组的电压值利用如下公式确定位移：

其中，

为长方体第一侧面对应的第一容栅传感器的电压值，

为长方体第一侧面对应的第二容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第三容栅传感器的电压值，

为长方体第二侧面对应的第四容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第五容栅传感器的电压值，

为长方体底面对应的第六容栅传感器的电压值，l_x为长方体的长，l_z为长方体的高，l_y为长方体的宽，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆分别为动栅发生旋转后l_x与y轴夹角、l_x与z轴夹角、l_y与x轴夹角、l_y与z轴夹角、l_z与x轴夹角、l_x与y轴夹角，Δd_x、Δd_y、Δd_z分别为三个通道每两对容栅传感器之间的安装间隔，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，ε为介电常数，s为容栅传感器动栅和静栅之间的正对面积。

6.根据权利要求5所述的三维位移测量***，其特征在于，所述位移确定模块，具体包括：

第一位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为半球时，根据容栅传感器组的电压值确定容栅传感器通道的电压分量，根据所述容栅传感器通道的电压分量确定位移；每个所述容栅传感器组包括一个容栅传感器；三个所述容栅传感器呈品字形排布；

第二位移确定子模块，用于当所述第一子模型和所述第二子模型均为长方体时，根据所述容栅传感器组的电压值确定位移；所述长方体的一个底面和相邻两个侧面上均设置有容栅传感器组；所述长方体的同一面上的容栅传感器组包括两个容栅传感器，两个所述容栅传感器间隔设置。

7.根据权利要求6所述的三维位移测量***，其特征在于，所述第一位移确定子模块，具体包括：

第一位移确定单元，用于根据容栅传感器通道的电压分量利用如下公式确定位移：

其中，u₁为半球的第一容栅传感器的电压值，u₂为半球的第二容栅传感器的电压值，u₃为半球的第三容栅传感器的电压值，G为放大系数，u₀为初始电压，I为电流值，t为时间，x为沿x方向的位移值，y为沿y方向的位移值，z为沿z方向的位移值，d₀为初始极距，l为容栅初始位置正对长度，b为容栅宽度，ε为介电常数。

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